Trong hệ thống này thì mỗi người dung được cấp phát một số sóng mang conkhác nhau và các sóng mang con này trực giao với nhau với hiệu suất sử dụng phổ cao vàlinh hoạt trong việc phân bổ
TÌM HIỂU CHUNG VỀ HỆ THỐNG LTE
Giới thiệu chung
LTE là thế hệ thứ 4 của chuẩn UMTS do 3GPP phát triển UMTS thế hệ thứ ba dựa trên WCDMA đã được triển khai trên toàn thế giới Để đảm bảo tính cạnh tranh cho hệ thống này trong tương lai, tháng 11/2004 3GPP đã bắt đầu dự án nhằm xác định bước phát triển về lâu dài cho công nghệ di động UMTS với tên gọi Long Term Evolution (LTE) 3GPP đặt ra yêu cầu cao cho LTE, bao gồm giảm chi phí cho mỗi bit thông tin, cung cấp dịch vụ tốt hơn, sử dụng linh hoạt các băng tần hiện có và băng tần mới, đơn giản hóa kiến trúc mạng với các giao tiếp mở và giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ ở thiết bị đầu cuối.
Giao diện không gian và các thuộc tính liên quan của hệ thông LTE được tóm tắt trong bảng 1.1:
Bảng 1.1 Các đặc điểm chính của công nghệ 4G LTE
Song công FDD , TDD , bán song công FDD
Di động 350km/h Đa truy nhập Đường xuống OFDMA Đường lên SC-FDMA
MIMO Đường xuống 2 * 2 ; 4 * 2 ; 4 * 4 Đường lên 1 * 2 ; 1 * 4
Tốc độ dữ liệu đỉnh Đường xuống : 173 và 326 Mb/s tương ứng với cấu hình
MIMO 2 * 2 và 4 * 4 trong 20MHz Đường lên : 86Mb/s với cấu hình 1 * 2 anten Điều chế QPSK ; 16 QAM và 64 QAM
Mã hóa kênh Mã tubo
Các công nghệ khác Lập biểu chính xác kênh; liên kết thích ứng ; điều khiển công suất ; ICIC và HARQMục tiêu của LTE là cung cấp 1 dịch vụ dữ liệu tốc độ cao , độ trễ thấp , các gói dữ liệu được tối ưu , công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng thông một cách linh hoạt khi triển khai.Đồng thời kiến trúc mạng mới được thiết kế với mục tiêu hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch
Tăng tốc độ truyền dữ liệu : trong điều kiện lý tưởng hệ thống hỗ trợ tốc độ dữ liệu đường xuống đỉnh lên tới 326Mb/s với cấu hình 4*4 MIMO ( multiple input multiple output ) trong vòng 20MHZ băng thông MIMO cho đường lên là không được sử dụng trong phiên bản đầu tiên của chuẩn LTE Tốc độ dữ liệu đỉnh đường lên tới 86Mb/s trong 20MHZ băng thông Ngoài viêc cải thiện tốc độ dữ liệu đỉnh hệ thống LTE còn cung cấp hiệu suất phổ cao hơn từ 2 đến 4 lần của hệ thống HSPA phiên bản 6.
Dải tần co giãn được: dải tần vô tuyến của hệ thống LTE có khả năng mở rộng từ
1.8 MHz, 3MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz cả chiều lên và xuống. Điều này dẫn đến sự linh hoạt sử dụng được hiệu quả băng thông Mức thông suất cao hơn khi hoạt động ở băng tần cao và đối với một số ứng dụng không cần đến băng tần rộng chỉ cần một băng tần vừa đủ thì cũng được đáp ứng. Đảm bảo hiệu suất khi di chuyển: LTE tối ưu hóa hiệu suất cho thiết bị đầu cuối di chuyển từ 0 đến 15km/h, vẫn hỗ trợ với hiệu suất cao (chỉ giảm đi một ít) khi di chuyển từ 15 đến 120km/h, đối với vận tốc trên 120 km/h thì hệ thống vẫn duy trì được kết nối trên toàn mạng tế bào ,chức năng hỗ trợ từ 120 đến 350km/h hoặc thậm chí là 500km/h tùy thuộc vào băng tần.
Giảm độ trễ trên mặt phẳng người sử dụng và mặt phẳng điều khiển:
Giảm thời gian chuyển đổi trạng thái trên mặt phẳng điều khiển : Giảm thời gian để một thiết bị đầu cuối ( UE - User Equipment) chuyển từ trạng thái nghỉ sang nối kết với mạng, và bắt đầu truyền thông tin trên một kênh truyền.Thời gian này phải nhỏ hơn 100ms.
Giảm độ trễ ở mặt phẳng người dùng: Nhược điểm của các mạng tổ ong (ô) hiện nay là độ trễ truyền cao hơn nhiều so với các mạng đường dây cố định Điều này ảnh hưởng lớn đến các ứng dụng như thoại và chơi game …,vì cần thời gian thực Giao diện vô tuyến của LTE và mạng lưới cung cấp khả năng độ trễ dưới 10ms cho việc truyền tải 1 gói tin từ mạng tới UE.
Sẽ không còn chuyển mạch kênh : tất cả sẽ dựa trên IP Một trong những tính năng đáng kể nhất của LTE là sự chuyển dịch đến mạng lõi hoàn toàn dựa trên IP với giao diện mở và kiến trúc đơn giản hóa Sâu xa hơn, phần lớn công việc chuẩn hóa của3GPP nhắm đến sự chuyển đổi kiến trúc mạng lõi đang tồn tại sang hệ thống toàn IP.Trong 3GPP Chúng cho phép cung cấp các dịch vụ linh hoạt hơn và sự liên hoạt động đơn giản với các mạng di động phi 3GPP và các mạng cố định EPC dựa trên các giao thức TCP/IP – giống như phần lớn các mạng số liệu cố định ngày nay- vì vậy cung cấp các dịch vụ giống PC như thoại, video, tin nhắn và các dịch vụ đa phương tiện Sự chuyển dịch lên kiến trúc toàn gói cũng cho phép cải thiện sự phối hợp với các mạng truyền thông không dây và cố định khác.VoIP sẽ dùng cho dịch vụ thoại cố định khác.VoIP sẽ dùng cho dịch vụ thoại. Độ phủ sóng từ 5-100km : trong vòng bán kính 5km LTE cung cấp tối ưu về lưu lượng người dùng, hiệu suất phổ và độ di động Phạm vi lên đến 30km thì có một sự giảm nhẹ cho phép về lưu lượng người dùng còn hiệu suất phổ thì lại giảm một cách đáng kể hơn nhưng vẫn có thể chấp nhận được, tuy nhiên yêu cầu về độ di động vẫn được đáp ứng dung lượng hơn 200 người/ô (băng thông 5MHz).
Kiến trúc mạng sẽ đơn giản hơn so với mạng 3G hiện thời tuy nhiên mạng
LTE vẫn có thể tích hợp một cách dễ dàng với mạng 3G và 2G hiện tại Điều này hết sức quan trọng cho nhà cung cấp mạng triển khai LTE vì không cần thay đổi toàn bộ cơ sở hạ tầng mạng đã có.
OFDMA ,SC-FDMA và MIMO được sử dụng trong LTE : hệ thống này hỗ trợ băng thông linh hoạt nhờ các sơ đồ truy nhập OFDMA & SC-FDMA Ngoài ra còn có song công phân chia tần số FDD và song công phân chia thời gian TDD Bán song công FDD được cho phép để hỗ trợ cho các người sử dụng với chi phí thấp không giống như FDD, trong hoạt động bán song công FDD thì một UE không cần thiết truyền & nhận đồng thời Điều này tránh việc phải đầu tư một bộ song công đắt tiền trong UE Truy nhập đường lên về cơ bản dựa trên đa truy nhập phân chia tần số đơn sóng mang SC-FDMA hứa hẹn sẽ gia tăng vùng phủ sóng đường lên do tỉ số công suất đỉnh-trung bình thấp ( PARR) liên quan tới OFDMA.
Giảm chi phí : yêu cầu đặt ra cho hệ thống LTE là giảm thiểu được chi phí trong khi vẫn duy trì được hiệu suất nhằm đáp ứng được cho tất cả các dịch vụ.Các vấn đề đường truyền,hoạt động và bảo dưỡng cũng liên quan đến yếu tố chi phí,chính vì vậy không chỉ giao tiếp mà việc truyền tải đến các trạm gốc và hệ thống quản lý cũng cần xác định rõ, ngoài ra một số vấn đề cũng được yêu cầu như là độ phức tạp thấp,các thiết bị đầu cuối tiêu thụ ít năng lượng.
Cùng tồn tại với các chuẩn và hệ thống trước: hệ thống LTE phải cùng tồn tại và có thể phối hợp hoạt động với các hệ thống 3GPP khác Người sử dụng LTE sẽ có thể thực hiện các cuộc gọi từ thiết bị đầu cuối của mình và thậm chí khi họ không nằm trong vùng phủ sóng của LTE Do đó, cho phép chuyển giao các dịch vụ xuyên suốt, trôi chảy trong khu vực phủ sóng của HSPA, WCDMA hayGSM/GPRS/EDGE Hơn thế nữa, LTE hỗ trợ không chỉ chuyển giao trong hệ thống, liên hệ thống mà còn chuyển giao liên miền giữa miền chuyển mạch gói và miền chuyển mạch kênh.
Kiến trúc mạng LTE
Hình 1.1 miêu tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu hình kiến trúc nơi chỉ có một E-UTRAN tham gia Hình này cũng cho thấy sự phân chia kiến trúc thành bốn vùng chính: thiết bị người dùng (UE); UTRAN phát triển( E-UTRAN); mạng lõi gói phát triển (EPC); và các vùng dịch vụ.
Hình 1.1 Kiến trúc hệ thống cho mạng chỉ có E-UTRAN
UE, E-UTRAN và EPC đại diện cho các giao thức internet (IP) ở lớp kết nối Đây là một phần của hệ thống được gọi là hệ thống gói phát triển (EPS) Chức năng chính của lớp này là cung cấp kết nối dựa trên IP và nó được tối ưu hóa cao cho mục tiêu duy nhất. Tất cả các dịch vụ được cung cấp dựa trên IP, tất cả các nút chuyển mạch và các giao diện được nhìn thấy trong kiến trúc 3GPP trước đó không có mặt ở E-UTRAN và EPC Công nghệ IP chiếm ưu thế trong truyền tải, nơi mà mọi thứ được thiết kế để hoạt động và truyền tải trên IP.
Các hệ thống con đa phương tiện IP ( IMS) là một ví dụ tốt về máy móc thiết bị phục vụ có thể được sử dụng trong lớp kết nối dịch vụ để cung cấp các dịch vụ dựa trên kết nối IP được cung cấp bởi các lớp thấp hơn Ví dụ, để hỗ trợ dịch vụ thoại thì IMS có thể cung cấp thoại qua IP ( VoIP) và sự kết nối tới các mạng chuyển mạch-mạch cũ PSTN và ISDN thông qua các cổng đa phương tiện của nó điều khiển.
Sự phát triển của E-UTRAN tập chung vào một nút, nút B phát triển ( eNode B) Tất cả các chức năng vô tuyến kết thúc ở đó, tức là eNB là điểm kết thúc cho tất cả các giao thức vô tuyến có liên quan E-UTRAN chỉ đơn giản là một mạng lưới của các eNodeB được kết nối tới các eNodeB lân cận với giao diện X2.
Một trong những thay đổi kiến trúc lớn là trong khu vực mạng lõi là EPC không có chứa một vùng chuyển mạch-mạch, và không có kết nối trực tiếp tới các mạng chuyển mạch mạch truyền thống như ISDN và PSTN là cần thiết trong lớp này Các chức năng của EPC là tương đương với vùng chuyển mạch gói của mạng 3GPP hiện tại Tuy nhiên những thay đổi đáng kể trong việc bố trí các nút chức năng và kiến trúc phần này nên được coi như là hoàn tòan mới.
1.2.1 Thiết bị người dùng ( UE)
UE là thiết bị mà người dùng đầu cuối sử dụng để liên lạc Thông thường nó là những thiết bị cầm tay như điện thoại thông minh hoặc một thẻ dữ liệu như mọi người vẫn đang sử dụng hiện tại trong mạng 2G và 3G Hoặc nó có thể được nhúng vào, ví dụ một máy tính xách tay UE cũng có chứa các mođun nhận dạng thuê bao toàn cầu( USIM) Nó là một mođun riêng biệt với phần còn lại của UE, thường được gọi là thiết bị đầu cuối (TE). USIM là một ứng dụng được đặt vào một thẻ thông minh có thể tháo rời được gọi là thẻ mạch tích hợp toàn cầu ( UICC) USIM được sử dụng để nhận dạng và xác thực người sử dụng để lấy khóa bảo mật nhằm bảo vệ việc truyền tải trên giao diện vô tuyến.
Các chức năng của UE là nền tảng cho các ứng dụng truyền thông, mà có tín hiệu với mạng để thiết lập, duy trì và loại bỏ các liên kết thông tin người dùng cần Điều này bao gồm các chức năng quản lý tính di động như chuyển giao, báo cáo vị trí của thiết bị, và các UE phải thực hiện theo hướng dẫn của mạng Có lẽ quan trọng nhất là UE cung cấp giao diện người sử dụng cho người dùng cuối để các ứng dụng như VoIP có thể được sử dụng để thiết lập một cuộc gọi thoại.
Nút duy nhất trên E-UTRAN là E-UTRAN NodeB ( eNodeB) Đơn giản đặt eNB là một trạm gốc vô tuyến kiểm soát tất cả các chức năng vô tuyến liên quan trong phần cố định của hệ thống Các trạm gốc như eNB thường phân bố trên toàn khu vực phủ sóng của mạng Mỗi eNB thường cư trú gần các anten vô tuyến hiện tại của chúng.
Chức năng của eNB hoạt động như một cầu nối giữa 2 lớp là UE và EPC, nó là điểm cuối của tất cả các giao thức vô tuyến về phía UE, và tiếp nhận dữ liệu giữa các kết nối vô tuyến và các kết nối IP cơ bản tương ứng về phía EPC Trong vai trò này các EPC thực hiện mã hóa / giải mã các dữ liệu UP, và cũng có nén / giải nén tiêu đề IP, tránh việc gửi đi lặp lại giống nhau hoặc dữ liệu liên tiếp trong tiêu đề IP. eNodeB cũng chịu trách nhiệm về nhiều các chức năng của mặt phẳng điều khiển (CP). eNB chịu trách nhiệm về quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), tức là kiểm sóat việc sử dụng giao diện vô tuyến , bao gồm : phân bổ tài nguyên dựa trên yêu cầu, ưu tiên và lập lịch trình lưu lượng theo yêu cầu QoS, và liên tục giám sát tình hình sử dụng tài nguyên.
Ngoài ra eNodeB còn có vai trò quan trọng trong quản lý tính di động (MM) Điều khiển eNB và đo đạc phân tích mức độ của tín hiệu vô tuyến được thực hiện bởi UE Điều này bao gồm trao đổi tín hiệu chuyển giao giữa eNB khác và MME Khi một UE mới kích hoạt theo yêu cầu của eNB và kết nối vào mạng, eNB cũng chịu trách nhiệm về việc định tuyến khi này nó sẽ đề nghị các MME mà trước đây đã phục vụ cho UE, hoặc lựa chọn một MME mới nếu một tuyến đường đến các MME trước đó không có sẵn hoặc thông tin định tuyến vắng mặt.
Hình 1.2 cho thấy các kết nối với eNB đã đến xung quanh các nút logic, và tóm tắt các chức năng chính trong giao diện này Trong tất cả các kết nối eNB có thể là trong mối quan hệ một – nhiều hoặc nhiều – nhiều Các eNB có thể phục vụ đồng thời nhiều UE trong vùng phủ sóng của nó nhưng mỗi UE chỉ được kết nối tới một eNB trong cùng một thời điểm Các eNB sẽ cần kết nối tới các eNB lân cận với nó trong khi chuyển giao có thể cần thực hiện.
Cả hai MME và S-GW có thể được gộp lại, có nghĩa là một tập hợp các nút được phân công để phục vụ cho một tập hợp các eNB Từ một viễn cảnh eNB đơn này có nghĩa là nó có thể cần phải kết nối tới nhiều MME và S-GW Tuy nhiên mỗi UE sẽ được phục vụ bởi chỉ có một MME và S-GW tại một thời điểm và eNB phải duy trì theo dõi các liên kết này.
Sự kết hợp này sẽ không bao giờ thay đổi từ một điểm eNodeB duy nhất, bởi vì MME hoặc S-GW chỉ có thể thay đổi khi kết hợp với sự chuyển giao liên eNodeB.
Hình 1.2 eNodeB kết nối tới các nút logic khác và các chức năng chính
1.2.3 Thực thể quản lý tính di động (MME)
Thực thể quản lý tính di động(MME) là thành phần điều khiển chính trong EPC Thông thường MME sẽ là một máy chủ ở một vị trí an toàn tại các cơ sở của nhà điều hành Nó chỉ hoạt động trong các CP, và không tham gia vào con đường của UP dữ liệu.
Ngoài giao diện cuối vào MME trong kiến trúc thể hiện trong hình 1.1, MME còn có một kết nối logic trực tiếp tới UE, và kết nối này được sử dụng như là kênh điều khiển chính giữa UE và mạng Sau đây là danh sách các chức năng chính của MME trong cấu hình kiến trúc cơ bản hệ thống :
Truy nhập vô tuyến trong LTE
1.3.1 Các chế độ truy nhập
Giao diện không gian LTE hỗ trợ cả hai chế độ là song công phân chia theo tần số ( FDD) và song công phân chia theo thời gian ( TDD), mỗi chế độ có một cấu trúc khung riêng Chế độ bán song công FDD cho phép chia sẻ phần cứng giữa đường lên và đường xuống vì đường lên và đường xuống không bao giờ sử dụng đồng thời Kỹ thuật này được sử dụng trong một số dải tần và cũng cho phép tiết kiệm chi phí trong khi giảm một nửa khả năng truyền dữ liệu.
Giao diện không gian LTE cũng hỗ trợ phát đa phương tiện và các dịch vụ phát quảng bá đa điểm (MBMS) Một công nghệ tương đối mới cho nội dung phát sóng như truyền hình kỹ thuật số tới UE bằng cách sử dụng các kết nối điểm- đa điểm Các thông số kỹ thuật 3GPP cho MBMS đầu tiên được xuất hiện trong UMTS phiên bản 6 LTE xác định là một cấp cao hơn dịch vụ MBMS phát triển (Embms), mà nó sẽ hoạt động qua một mạng đơn tần số phát quảng bá / đa điểm(MBSFN), bằng cách sử dụng một dạng sóng đồng bộ thời gian chung mà có thể truyền tới đa ô trong một khoảng thời gian nhất định MBSFN cho phép kết hợp qua vô tuyến của truyền đa ô tới UE, sử dụng tiền tố vòng (CP) để bảo vệ các sự sai khác do trễ khi truyền tải, để các UE truyền tải như là từ một tế bào lớn duy nhất Công nghệ này giúp cho LTE có hiệu suất cao cho truyền tải MBMS Các dịch vụ Embms sẽ được xác định đầy đủ trong thông số kỹ thuật của 3GPP phiên bản 9.
LTE phải hỗ trợ thị trường không dây quốc tế , các quy định về phổ tần trong khu vực và phổ tần sẵn có Để đạt được điều này các thông số kỹ thuật bao gồm băng thông kênh biến đổi có thể lựa chọn từ 1,4 tới 20MHz Với khoảng cách giữa các sóng mang con là 15kHz Nếu eMBMS mới được sử dụng , cũng có thể khoảng cách giữa các sóng mang con là 7,5kHz Khoảng cách giữa các sóng mang con là một hằng số và nó không phụ thuộc vào băng thông của kênh 3GPP đã xác định giao diện vô tuyến của LTE là băng thông không thể biết, nó cho phép giao diện vô tuyến thích ứng với băng thông kênh khác nhau với ảnh hưởng nhỏ nhất vào hoạt động của hệ thống.
Giá trị nhỏ nhất của tài nguyên có thể được phân bố ở đường lên và đường xuống được gọi là một khối tài nguyên (RB) Một RB có độ rộng là 180kHz và kéo dài trong một khe thời gian là 0,5ms Với LTE tiêu chuẩn thì một RB bao gồm 12 sóng mang con với khoảng cách giữa các sóng mang con là 15kHz, và cho eMBMS với tùy chọn khoảng cách giữa các sóng mang con là 7,5kHz và một RB gồm 24 sóng mang con cho 0,5ms.
1.3.3 Kỹ thuật đa truy nhập cho đường xuống OFDM
Kế hoạch truyền dẫn đường xuống cho E-UTRAN chế độ FDD và TDD là được dựa trên OFDM truyền thống Trong hệ thống OFDM, phổ tần có sẵn được chia thành nhiều sóng mang, được gọi là các sóng mang con Mỗi sóng mang con được điều chế độc lập bởi một dòng dữ liệu tốc độ thấp OFDM cũng được sử dụng trong WLAN, WIMAX và các công nghệ truyền quảng bá như DVB OFDM có một số lợi ích như độ bền của nó với phađing đa đường và kiến trúc thu nhận hiệu quả của nó Hình 1.7 cho thấy một minh họa của một tín hiệu OFDM Trong hình này một tín hiệu với băng thông 5MHz được biểu thị, nhưng nguyên tắc là tương tự như cho các băng thông E-UTRAN khác Các ký hiệu dữ liệu được điều chế một cách độc lập và được truyền qua một số lượng lớn của các sóng mang con trực giao đặt gần nhau Trong E-UTRAN các phương án điều chế cho đường xuống QPSK, 16 QAM và 64QAM là sẵn có.
Hình 1.7 Biểu diễn tần số-thời gian của một tín hiệu OFDM
Trong miền thời gian, một khoảng bảo vệ có thể được thêm vào mỗi ký hiệu để chống lại nhiễu liên ký hiệu OFDM do kênh lan truyền trễ Trong E-UTRAN, các khoảng bảo vệ là một tiền tố vòng mà được chèn vào trước mỗi ký hiệu OFDM Trong thực tế, tín hiệu OFDM có thể được tạo ra bằng cách sử dụng IFFT ( biến đổi Fourier nhanh nghịch đảo ).
IFFT chuyển đổi số lượng N các ký hiệu dữ liệu phức được sử dụng như các phễu để biến đổi tín hiệu miền tần số sang tín hiệu miền thời gian N điểm IFFT được minh họa như trong hình 1.8, nơi mà có a(Mn+n) tham chiếu tới ký hiệu dữ liệu điều chế sóng mang con thứ n, trong khoảng thời gian Mt u < t ≤ (m+1)T u
Hình 1.8 Sự tạo ra ký hiệu OFDM có ích sử dụng IFFT
Vector Sm được xác định là ký hiệu OFDM có ích Nó là sự chồng chất về mặt thời gian của N các sóng mang con được điều chế băng hẹp Vì vậy, từ một dòng song song của N nguồn dữ liệu, mỗi nguồn được điều chế một cách độc lập, một dạng sóng bao gồm N các sóng mang con trực giao được hình thành.
Hình 1.9 minh họa sự ánh xạ từ một luồng nối tiếp các ký hiệu QAM đến N các luồng song song, sử dụng như là phiễu miền tần số cho IFFT N điểm các khối miền thời gian thu được từ IFFT sau đó được xếp theo thứ tự để tạo ra một tín hiệu miền thời gian Điều này không được biểu diễn trong hình 1.9, nó là một quá trình chèn vào tiền tố vòng.
Hình 1.9 Sự tạo ra chuỗi tín hiệu OFDM
Trái ngược với phương thức truyền OFDM, OFDMA cho phép truy nhập của nhiều người sử dụng trên băng thông sẵn có.
Hình 1.10 Cấp phát sóng mang con cho OFDM & OFDMA
Mỗi người sử dụng được ấn định một tài nguyên thời gian-tần số cụ thể Như một nguyên tắc cơ bản của E-UTRAN, các kênh dữ liệu là các kênh chia sẻ ví dụ, đối với mỗi khoảng thời gian truyền của 1ms, một quyết định lịch biểu mới được lấy về trong đó người sử dụng được gán với các nguồn tài nguyên thời gian / tần số trong suốt khoảng thời gian truyền tải.
Có hai loại cấu trúc khung được định nghĩa cho E-UTRAN: cấu trúc khung loại 1 cho chế độ FDD, cấu trúc khung loại 2 cho chế độ TDD. Đối với kiểu cấu trúc khung loại 1, khung vô tuyến 10ms được chia thành 20 khe có kích thước như nhau là 0,5ms Một khung con bao gồm có 2 khe liên tiếp, nên một khung vô tuyến chứa 10 khung con Điều này được minh họa như trong hình 1.11 ( Ts là thể hiện của đơn vị thời gian cơ bản tương ứng với 30,72MHz).
Hình 1.11 Cấu trúc khung loại 1 Đối với cấu trúc khung loại 2, khung vô tuyến 10ms bao gồm hai nửa-khung với mỗi nửa chiều dài 5ms Mỗi nửa-khung được chia thành 5 khung con với mỗi khung con 1ms, như được thể hiện trong hình 1.12
Hình 1.12 Cấu trúc khung loại 2
Tất cả các khung con mà không phải là khung con đặc biệt được định nghĩa là hai khe có chiều dài 0,5ms cho mỗi khung con Các khung con đặc biệt bao gồm có ba trường là DwPTS( khe thời gian dẫn hướng đường xuống ), GP (khoảng bảo vệ) và UpPTS ( khe thời gian dẫn hướng đường lên ) Các trường này đã được biết đến từ TD-SCDMA và được duy trì trong LTE TDD DwPTS, GP và UpPTS có chiều dài cấu hình riêng và chiều dài tổng cộng là 1ms.
Hình 1.13 thể hiện cấu trúc của lưới tài nguyên đường xuống cho cả FDD và TDD.
Hình 1.13 Lưới tài nguyên đường xuống
Các sóng mang con trong LTE có một khoảng cách cố định f = 15kHz trong miền tần số, 12 sóng mang con hình thành một khối tài nguyên Kích thước khối tài nguyên là như nhau với tất cả các băng thông Số lượng các khối tài nguyên ứng với băng thông được liệt kê như trong bảng 1.2.
Bảng 1.2 Số lượng các khối tài nguyên cho băng thông LTE khác nhau
( cụ thể là FDD&TDD)
Với mỗi ký hiệu OFDM, một tiền tố vòng (CP) được nối thêm như là khoảng thời gian bảo vệ, so sánh với hình 1 Một khe đường xuống bao gồm 6 hoặc 7 ký hiệu OFDM, điều này tùy thuộc vào tiền tố vòng được cấu hình là mở rộng hay bình thường Tiền tố vòng dài có thể bao phủ các kích thước ô lớn hơn với sự lan truyền trễ cao hơn của các kênh vô tuyến Các chiều dài tiền tố vòng được lấy mẫu ( đơn vị đo bằng μs ) và được tóm tắts ) và được tóm tắt trong bảng 1.3
Bảng 1.3 Tham số cấu trúc khung đường xuống ( FDD & TDD )
Kích thước Số lượng Chiều dài tiền
Chiều dài tiền Cấu hình khối truyền tải các ký hiệu tố vòng trong tố vũng ở às
Tiền tố vòng 160 cho ký hiệu 5,2μs ) và được tóm tắts cho ký đầu tiên hiệu đầu tiên. bình thường 12 7
144 cho các ký 4,7μs ) và được tóm tắts cho các
f= 15 kHz hiệu khác ký hiệu khác.
12 6 512 mở rộng 16,7 μs ) và được tóm tắts
1.3.3.c Truyền dẫn dữ liệu hướng xuống
Các thủ tục truy nhập
Dò tìm ô là thủ tục mà theo đó thiết bị đầu cuối tìm thấy một ô mạng để có khả năng kết nối tới Như là một phần của thủ tục dò tìm ô, thiết bị đầu cuối đã tìm được nhận dạng của một ô và ước tính sự định thời khung của ô được xác định Hơn nữa, thủ tục dò tìm ô cũng cung cấp sự ước tính các thông số cần thiết để thu nhận thông tin của hệ thống trên kênh quảng bá, có chứa các thông số còn lại cần thiết cho việc truy nhập vào hệ thống. Để tránh việc lập kế hoạch ô phức tạp, số lượng các nhận dạng ô lớp vật lý phải có đủ lớn LTE hỗ trợ nhận dạng 510 ô khác nhau, được chia thành 170 nhóm nhận dạng ô Để giảm sự phức tạm trong việc dò tìm ô, dò tìm ô trong LTE thường được thực hiện trong một vài bước, tương tự như thủ tục dò tìm ô ba bước trong WCDMA Để hỗ trợ thiết bị đầu cuối trong thủ tục này, LTE cung cấp một tín hiệu đồng bộ sơ cấp và một tín hiệu đồng bộ thứ cấp trên đường xuống Các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp là các chuỗi riêng, được chèn vào hai ký hiệu OFDM cuối cùng trong khe đầu tiên của khung con số 0 và số 5 như được minh hoạ trong 1.19 Ngoài các tín hiệu đồng bộ, thủ tục dò tìm ô cũng có thể lợi dụng các tín hiệu tham chiếu như là một phần hoạt động của nó.
1.4.1.a Các bước của thủ tục dò tìm ô
Trong bước đầu tiên của thủ tục dò tìm ô, thiết bị đầu cuối di động sử dụng tín hiệu đồng bộ sơ cấp để tìm ra thời gian định thời dựa trên một cơ sở là 5ms Lưu ý rằng, tín hiệu đồng bộ sơ cấp được truyền hai lần trong mỗi khung Một lý do là để đơn giản hóa việc chuyển giao từ các công nghệ truy nhập vô tuyến khác như GSM tới LTE Như vậy, tín hiệu đồng bộ sơ cấp chỉ có thể cung cấp sự định thời khung với một sự không rõ dàng là 5ms.
Việc thực hiện các thuật toán ước tính là được cung cấp riêng, nhưng có một khả năng là để thực hiện việc lọc thích ứng giữa tín hiệu nhận được và các chuỗi được quy định với tín hiệu đồng bộ sơ cấp Khi đầu ra của bộ lọc thích ứng đạt tới tối đa của nó, thiết bị đầu cuối có khả năng đã tìm thấy giá trị định thời trên cơ sở 5ms Bước đầu cũng có thể được sử dụng để khóa tần số dao động nội của thiết bị đầu cuối di động với tần số sóng mang của trạm gốc Khóa tần số dao động- nội với tần số trạm gốc giúp giảm bớt các yêu cầu độ chính xác trên bộ tạo dao động ở thiết bị đầu cuối di động, như vậy nó sẽ giúp làm giảm bớt chi phí.
Hình 1.19 Các tín hiệu đồng bộ sơ cấp & thứ cấp ( giả thiết chiều dài tiền tố vòng bình thường )
Vì các lý do đã được thảo luận ở trên, ba dãy khác nhau có thể được sử dụng như là tín hiệu đồng bộ sơ cấp có một sự ánh xạ một-một giữa mỗi chuỗi trong ba chuỗi và nhận dạng ô bên trong nhóm ô nhận dạng Do đó, sau bước đầu tiên thiết bị đầu cuối đã tìm thấy sự nhận dạng bên trong nhóm nhận dạng ô Hơn nữa, khi có một ánh xạ một-một giữa mỗi một sự nhận dạng trong một nhóm nhận dạng ô và mỗi một dãy trực giao trong ba chuỗi là được sử dụng khi tạo ra tín hiệu chuẩn Thiết bị đầu cuối cũng có được một phần kiến thức về cấu trúc tín hiệu chuẩn trong bước này Nhóm ô nhận dạng, tuy nhiên vẫn chưa biết đến thiết bị đầu cuối sau bước này.
Trong bước tiếp theo, thiết bị đầu cuối phát hiện một nhóm nhận dạng ô và nó sẽ xác định được sự định thời khung Điều này được thực hiện bằng cách quan sát cặp khe nơi tín hiệu đồng bộ thứ cấp được truyền đi Về cơ bản, nếu (S1, S2) là một cặp được phép của các chuỗi, nơi mà S1 và S2 biểu diễn tín hiệu đồng bộ thứ cấp trong khung con số 0 và số 5, cặp đảo ngược (S2, S1) không phải là một cặp chuỗi hợp lệ Bằng cách khai thác tính năng này, thiết bị đầu cuối có thể phân giải được sự không rõ dàng về định thời 5ms của kết quả ở bước đầu tiên trong thủ tục dò tìm ô và xác định sự định thời khung Hơn nữa, vì mỗi sự kết hợp (S1, S2) thể hiện cho một trong các nhóm nhận dạng ô, cũng là nhóm nhận dạng ô thu được từ bước dò tìm ô thứ hai Từ nhóm nhận dạng ô, thiết bị đầu cuối cũng thu được kiến thức về chuỗi giả-ngẫu nhiên được sử dụng để tạo ra tín hiệu chuẩn trong ô.
Một khi thủ tục dò tìm ô hoàn thành, thiết bị đầu cuối nhận thông tin hệ thống được phát quảng bá để có được các thông số còn lại, ví dụ như, băng thông truyền tải được sử dụng trong ô.
1.4.1.b Cấu trúc thời gian/tần số của tín hiệu đồng bộ
Cấu trúc thời gian/tần số tổng quát đã được mô tả tóm tắt ở trên và được minh họa trong hình 1.19 Như đã thấy trong hình, các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp được truyền trong hai ký hiệu OFDM liên tiếp Cấu trúc này đã được lựa chọn để cho phép xử lý nhất quán của tín hiệu đồng bộ thứ cấp tại thiết bị đầu cuối Sau bước đầu tiên, tín hiệu đồng bộ sơ cấp đã được biết và vì thế nó có thể được sử dụng để ước lượng kênh Ước lượng kênh này sau đó có thể được sử dụng để xử lý nhất quán các tín hiệu nhận được trước khi tới bước thứ hai để nhằm nâng cao hiệu suất Tuy nhiên, sự bố trí của các tín hiệu đồng bộ sơ cấp và thứ cấp cạnh nhau mặt khác cũng ngụ ý rằng thiết bị đầu cuối trong bước thứ hai cần phải ước tính độ dài tiền tố vòng một cách mò mẫm Tuy nhiên, điều này là một hoạt động ít phức tạp.
Trong nhiều trường hợp, thời gian định thời trong nhiều ô là được đồng bộ như nhau do sự bắt đầu của khung trong các ô cạnh nhau bị trùng nhau về thời gian Một lý do ở đây là phải cho phép MBSFN hoạt động Tuy nhiên, hoạt động đồng bộ cũng ngụ ý là truyền các tín hiệu đồng bộ sơ cấp trong các ô khác nhau sảy ra đồng thời Sự ước lượng kênh dựa trên tín hiệu đồng bộ sơ cấp vì vậy sẽ phản ánh sự phối hợp kênh từ tất cả các ô nếu tín hiệu đồng bộ sơ cấp giống nhau được sử dụng trong tất cả các ô Hiển nhiên là việc giải điều chế nhất quán của các tín hiệu đồng bộ thứ cấp, là khác nhau trong các ô khác nhau, một sự ước tính kênh từ ô mạng về lợi ích là cần thiết, không phải là sự ước tính của việc phối hợp kênh từ tất cả các ô Do đó, LTE hỗ trợ nhiều các chuỗi cho tín hiệu đồng bộ sơ cấp Trong trường hợp sự thu nhất quán trong việc phân phối với thời gian các ô là đồng bộ, các ô lân cận có thể sử dụng các chuỗi đồng bộ sơ cấp khác để làm giảm bớt các vấn đề về ước lượng- kênh như đã được mô tả ở trên Hơn nữa, như đã mô tả ở trên tín hiệu đồng bộ sơ cấp cũng mang một phần của việc nhận dạng ô.
Hình 1.20 Sự hình thành tín hiệu đồng bộ trong miền tần số
Từ góc độ TDD, sự bố trí tín hiệu đồng bộ tại phần cuối của khe đầu tiên trong khung con, thay vì khe thứ hai là có lợi vì nó ngụ ý rằng ít hạn chế hơn trong việc tạo ra thời gian bảo vệ giữa đường lên và đường xuống Ngoài ra, nếu các tín hiệu đồng bộ được đặt trong khe cuối cùng của khung con, sẽ không có khả năng để cóđược thời gian bảo vệ cần thiết Ngoài ra, lưu ý rằng với hoạt động TDD, vị trí của các tín hiệu đồng bộ ngụ ý là luôn nằm ở khung con số 0 và số 5 trong các khung con đường xuống.
Khi bắt đầu thủ tục dò tìm ô, băng thông ô là không cần thiết phải biết đến Về nguyên tắc, việc phát hiện băng thông truyền dẫn có thể đã được thực hiện một phần trong các thủ tục dò tìm ô Tuy nhiên điều này sẽ làm phức tạp thủ tục dò tìm ô chung, nó là thích hợp hơn để duy trì thủ tục dò tìm ô giống nhau, bất kể băng thông truyền dẫn tổng thể của ô Thiết bị đầu cuối sau đó có thể được thông báo về băng thông thực tế trong ô từ kênh quảng bá Vì vậy để duy trì cấu trúc miền tần số gióng nhau của các tín hiệu đồng bộ, bất kể băng thông hệ thống của ô, các tín hiệu đồng bộ luôn được truyền bằng cách sử dụng 72 sóng mang con trung tâm, tương ứng với một băng thông trong thứ tự của 1MHz Hình 1.20 minh họa một khả năng có thể thực hiện cho việc tạo ra các tín hiệu đồng bộ, 36 sóng mang con trên mỗi bên của sóng mang con DC trong miền tần số được dành riêng cho tín hiệu đồng bộ Bằng cách sử dụng một IFFT, tín hiệu miền thời gian tương ứng có thể được tạo ra Kích thước của IFFT cũng như số lượng các sóng mang con được đưa về không như trong hình 1.20, tùy thuộc vào băng thông hệ thống Các sóng mang con không được sử dụng cho truyền các tín hiệu đồng bộ có thể được sử dụng cho truyền dữ liệu.
1.4.1.c Dò tìm ban đầu và dò tìm ô lân cận
Việc tìm một ô để kết nối đến sau khi bật nguồn của thiết bị đầu cuối rõ dàng là một trường hợp quan trọng Tuy nhiên, một việc quan trọng không kém đó là khả năng để xác định các ô dự phòng cho việc chuyển giao như là một phần của việc hỗ trợ tính di động,khi thiết bị đầu cuối kết nối đã di chuyển từ một ô tới một ô khác Hai trường hợp này thường được gọi tắt là dò tìm ô ban đầu và dò tìm ô lân cận. Đối với việc dò tìm ô ban đầu, thiết bị đầu cuối thường không biết tần số sóng mang của các ô mà nó đang tìm kiếm Để giải quyết trường hợp này, thiết bị đầu cuối cần phải dò tìm với một tần số sóng mang phù hợp, về cơ bản bằng cách lặp đi lặp lại các thủ tục nói trên cho bất kỳ tần số sóng mang nào có thể có được đưa ra bởi sự quét tần số Rõ dàng là, điều này thường có thể làm tăng thời gian cần thiết cho việc dò tìm ô, nhưng các yêu cầu về thời gian dò tìm cho việc dò tìm ô ban đầu thường tương đối thoải mái Các phương thức thực hiện riêng cũng có thể được sử dụng để làm giảm thời gian từ khi bật nguồn cho đến khi tìm được một ô Ví dụ, thiết bị đầu cuối có thể sử dụng bất kỳ thông tin bổ sung nào mà thiết bị đầu cuối có thể có và bắt đầu dò tìm trên cùng tần số sóng mang với lần cuối cùng nó đã kết nối tới.
Với việc dò tìm ô lân cận, có các yêu cầu về thời gian chặt chẽ hơn Dò tìm ô lân cận chậm hơn, càng dài nó sẽ dẫn đến thiết bị đầu cuối được chuyển giao tới một ô với mức trung bình về chất lượng vô tuyến tốt hơn Nhưng điều này rõ dàng sẽ làm hỏng hiệu suất phổ tổng thể của hệ thống Tuy nhiên, trong trường hợp phổ biến của chuyển giao liên- tần số, rõ dàng là thiết bị đầu cuối không cần phải dò tìm đối với tần số sóng mang trong các ô lân cận Ngoài việc bỏ qua sự dò tìm trong nhiều tần số sóng mang, dò tìm ô- lân cận liên-tần số có thể dùng các thủ tục tương tự như việc dò tìm ô ban đầu.
Các sự đo đạc cho mục đích chuyển giao là được yêu cầu cả khi thiết bị đầu cuối hiện đang nhận dữ liệu đường xuống từ mạng Do đó, thiết bị đầu cuối phải có khả năng thực hiện việc dò tìm ô lân cận trong các trường hợp này Đối với dò tìm ô-lân cận liên-tần số, đây không phải là một vấn đề lớn như các ô dự phòng lân cận, truyền ở cùng một tần số như là thiết bị đầu cuối đã được thực hiện trong khi đang nhận dữ liệu Nhận dữ liệu và dò tìm ô lân cận là các chức năng băng gốc riêng đơn giản, hoạt động trên cùng tín hiệu thu được.
Trường hợp chuyển giao liên-tần số, là phức tạp hơn khi tiếp nhận dữ liệu và dò tìm ô lân cận cần phải thực hiện ở nhiều các tần số khác nhau Trang bị cho thiết bị đầu cuối có một mạch thu RF riêng cho việc dò tìm ô lân cận, mặc dù về nguyên tắc là có thể sẽ không hấp dẫn từ một góc độ của sự phức tạp Vì vậy, các khoảng trống trong việc truyền tải dữ liệu trong khi thiết bị đầu cuối có thể điều hướng lại tới một tần số khác cho các mục đích đo đạc liên tần số, có thể được tạo ra Điều này được thực hiện trong cùng một cách như đối với HSPA, cụ thể là bằng cách tránh lập kế hoạch cho thiết bị đầu cuối trong một hoặc một số các khung con đường xuống.
Một yêu cầu cơ bản cho bất kỳ một hệ thống di động tế bào nào là khả năng cho thiết bị đầu cuối yêu cầu thiết lập một kết nối Điều này thường được gọi là truy nhập ngẫu nhiên và phụ vụ hai mục đích chính của LTE, cụ thể là thiết lập đồng bộ hướng lên và thiết lập một nhận dạng thiết bị đầu cuối duy nhất, C-RNTI, được biết đến ở cả hai là mạng và thiết bị đầu cuối Do đó, truy nhập ngẫu nhiên được sử dụng không chỉ cho truy nhập ban đầu mà là khi chuyển giao từ LTE_DETACHED ( LTE_tách biệt ) hoặc LTE_IDLE ( LTE_rảnh dỗi) tới LTE_ACTIVE ( LTE_tích cực), nhưng cũng sau một thời gian không hoạt động ở hướng lên khi đồng bộ hướng lên bị mất trong LTE_ACTIVE.
Tổng quan về truy nhập ngẫu nhiên được thể hiện như trong hình 1.21, nó bao gồm bốn bước :
Kết luận chương 1
Hệ thống 4G LTE là một bước phát triển quan trọng trong thông tin truyền thông với nhiều ưu điểm vượt trội so với các thế hệ trước đó Trong chương 1 của đồ án đã trình bày về kiến trúc cơ bản của mạng LTE cũng như các chế độ truy nhập vô tuyến đường xuống cũng như các thủ tục truy nhập trong LTE.